Characterization of equilibrium phases in 8xxx alloys for the optimization of the thermodynamic database for MatCalc

Abstract

In der vorliegenden Thesis wurden experimentelle Untersuchungen zu Gleichgewichtsphasen in 8xxx-Legierungen unternommen. Bei der Charakterisierung der 8xxx Legierungen wurde vor allem Wert auf das quartäre System Al-Fe-Mn-Si gelegt, weshalb die vier technischen Legierungen AA8011, AA8014, AA8021 und AA8079 untersucht wurden. Hierfür wurden die Materialien bei den Temperaturen 400°C, 500°C, sowie 600°C langzeitgeglüht, um die Gleichgewichtszustände zu erreichen, welche im Anschluss charakterisiert wurden. Als Charakterisierungsmethoden der Gleichgewichtsphasen wurden das Rasterelektronenmikroskop (SEM), die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und die Röntgendiffraktometrie (XRD) verwendet. Für die Röntgendiffraktometrie wurden zwei verschiedene Probentypen verwendet: Festkörperproben und pulverförmige Proben. Die Pulver wurden durch eine chemische Auflösung der Aluminiummatrix mithilfe von Phenol hergestellt und wiesen demnach nur die übriggebliebenen intermetallischen Phasen auf. Die Messung des Pulvers war notwendig, da die Festkörperproben nur sehr geringe Anteile an den Phasen aufwiesen und es dementsprechend schwierig war, qualitative und auch quantitative Aussagen allein mit diesen Proben zu machen. Den Hauptgrund hierfür stellten die großen Al-Peaks der Matrix dar, welche die kleineren Peaks der intermetallischen Phasen im Diffraktogramm überdeckten. Da die Phasenanteile in den Legierungen mit 2 bis maximal 6 wt.% vergleichsweise gering sind, ist die Quantifizierung der Festkörperproben mittels Röntgendiffraktometrie nicht sehr zuverlässig, wie bereits erwähnt, und für diesen Zweck wurde die Analyse mit den Pulvern durchgeführt. Durch diese Vorgehensweise kann eine verbesserte Quantifizierung der Phasen erreicht werden. Des Weiteren hat diese Methode den Vorteil, dass auch Phasen mit vergleichsweisen geringen Anteilen identifiziert werden können. Der Gesamtphasenanteil wurde mittels einer optischen Auswertung von ungeätzten Lichtmikroskopaufnahmen berechnet, wofür die Software ImageJ verwendet wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle drei unterschiedlichen Charakterisierungsmethoden weitgehend kongruent sind. Die stabilen Phasen in den Legierungen entsprechen den für das System charakteristischen stabilen Phasen: Al13(Fe,Mn)4, Al6(Fe,Mn), α-AlFeMnSi, β-AlFeSi und reinem Si. Die Ergebnisse wurden mit den aktuellen MatCalc-Simulationen und den verfügbaren Literaturdaten zu den untersuchten Legierungen verglichen, wobei eine deutliche Diskrepanz zwischen den Simulationen und den verfügbaren Daten festgestellt wurde. Die in dieser Arbeit zusammengestellten Ergebnisse sollten jedoch in Kombination mit den Literaturdaten den Weg für eine verbesserte MatCalc-Datenbank zur Beschreibung von Legierungen der 8xxx-Serie ebnen. Gelegentlich wurden in ungeätzten lichtmikroskopischen Aufnahmen der wärmebehandelten Proben Dispersoide gefunden. Um einen besseren Einblick zu erhalten, wurden diese Proben mit 0.5%iger Flusssäure geätzt. Eine chemische Analyse wurde nicht durchgeführt, da dies den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde. Außerdem wurden in einigen Phasen der bei 600°C geglühten Proben Cu- und Ni-reiche Bereiche festgestellt, welche ebenfalls weiter untersucht werden müssten.

Experimental investigations on equilibrium phases in 8xxx alloys were undertaken in the present thesis. In the characterisation of the 8xxx alloys, particular emphasis was placed on the quaternary system Al-Fe-Mn-Si. Hence, the industrial alloys AA8011, AA8014, AA8021 and AA8079 were investigated. The alloys were subjected to long-term annealing at temperatures of 400°C, 500°C and 600°C in order to reach the equilibrium states, which were subsequently characterized. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (XRD) were used to characterize the equilibrium phases. Two different sample types were used for the X-ray diffraction: Bulk samples and powder samples. The powders were produced by chemically dissolving the aluminium matrix with phenol and therefore only the intermetallic phases remain. The measurement of the powders was necessary, because the bulk samples only had very small proportions of the phases and therefore it was difficult to make qualitative as well as quantitative statements with the bulk samples alone. The main reason for this were the large Al-peaks of the matrix in the diffractogram, which covered the smaller peaks of the intermetallic phases. Since the phase fractions in the alloys are comparably low - at 2 to a maximum of 6 wt.%, the quantification via the measurement of bulk samples with X-ray diffraction is not quite as reliable, as already mentioned, and therefore the measurement of the powders must be used for this purpose. This procedure allows an improved quantification of the intermetallic phases present in the samples. Furthermore, this method has the advantage, that even phases with comparably small fractions can be identified. The total phase fraction was calculated with an optical evaluation of unetched light microscope images, for which the software ImageJ was used. In summary, all three different characterisation methods are mostly congruent. The stable phases in the alloys corresponds to the stable phases characteristic for the system: Al13(Fe,Mn)4, Al6(Fe,Mn), α-AlFeMnSi, β-AlFeSi, and pure Si. The results were compared with the current MatCalc equilibrium calculations and the available literature data of the alloys and a clear discrepancy was observed between the simulations and the experimental/literature data. However, the assembled results of this thesis in combination with the literature data should pave the way for an improved MatCalc database to describe 8xxx series alloys. Occasionally dispersoids were found in unetched light microscopy images of the heat-treated samples. In order to get a better insight, these samples were etched with 0.5% hydrofluoric acid. A chemical analysis was not performed as this would exceed the scope of this thesis. Furthermore, Cu- and Ni-rich regions were detected inside some of the phases of the samples annealed at 600°C, for which further investigations would also be necessary.